DE102009020464B4

DE102009020464B4 - Motorventiltrieb mit verschleißfestem Nockenwellen- und Stößelmaterial

Info

Publication number: DE102009020464B4
Application number: DE102009020464.4A
Authority: DE
Inventors: Shekhar G. Wakade; Simon Chin-Yu Tung
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2008-05-19
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2021-12-09
Anticipated expiration: 2029-05-09
Also published as: US20090283063A1; DE102009020464A1; CN101586483A; US8109247B2; CN101586483B

Abstract

Motorventiltrieb, welcher umfasst:eine Nockenwelle (26) mit einer Vielzahl von Nockenwellenerhebungen (28), wobei die Nockenwellenerhebungen (28) aus einem Temperguss bestehen; undeine Vielzahl von Stößelauflagen, die aus karbonitriertem Stahl bestehen und jeweils in Eingriff mit einer entsprechenden der Vielzahl von Nockenwellenerhebungen (28) stehen;dadurch gekennzeichnet,dass der karbonitrierte Stahl ein AISI 52100 Stahl oder ein AISI 4130 Stahl ist.

Description

Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Motorventiltrieb gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er der Art nach im Wesentlichen aus dem Artikel mit dem Titel „Camshaft and cam follower materials“ (von EYRE, T. S. und CRAWLEY, B.; veröffentlicht in: Tribology international, Vol. 13, No. 4, 1980, S. 147-152. - ISSN 0301-679X hervorgeht.
Beispielsweise beschreibt die DE 43 36 920 A1 einen Motorventiltrieb, welcher eine Nockenwelle mit einer Vielzahl von Nockenwellenerhebungen, wobei die Nockenwellenerhebungen aus einer mittel/hochgekohlten Ni-Cr-Stahllegierung bestehen, und eine Vielzahl von Stößelauflagen umfasst, die aus hochfestem Stahl bestehen und jeweils in Eingriff mit einer entsprechenden der Vielzahl von Nockenwellenerhebungen stehen.
Die DE 10 2006 029 415 A1 beschreibt eine Stößelauflage mit einem Grundkörper aus einem Stahlwerkstoff wie z.B. 100Cr6, der wärmebehandelt, beispielsweise karbonitriert wird. Diese Stößelauflage kann mit einem Nocken aus einer Eisen/Kohlenstofflegierung als Reibpartner zusammenwirken.
Die DE 699 01 702 T2 beschreibt die Verwendung von 25CrMo4 auf dem Gebiet der Ventiltriebe.
Die DE 40 28 985 A1 beschreibt eine gehärtete Stößelauflage aus Werkzeugstahl 100Cr6.
Die DE 694 02 028 T2 beschreibt einen Nocken aus Gusseisen und eine Stößelauflage aus Cr-Mo-Stahl.
Die DE 44 18 245 A1 beschreibt die Karbonitrierung einer Stößelauflage, wobei diese auf 55 bis 65 Härte Rockwell gehärtet wird.
Hintergrund
Motorkonstrukteure und -ingenieure stehen permanent der Herausforderung gegenüber, an Produkten Neuerungen vorzunehmen, um stets strengen Emissions- und Kraftstoffökonomiezielen gerecht zu werden.
In einem herkömmlichen Ventiltriebsystem rotiert eine Nockenwelle und sie drückt gegen eine flache oder Rollenstößelfläche, die sich hin- und herbewegt, um Einlass- und Auslassventile zu öffnen und zu schließen. Die Grenzfläche zwischen der Nockenwellenerhebung und dem dazu passenden Stößel ist einer starken Belastung ausgesetzt, unabhängig davon, ob es sich um einen Gleit- oder Rolltyp handelt. Wenngleich darauf geachtet wird, diese Grenzfläche gut zu schmieren, stellen Situationen wie z. B. ein Kaltstart Umstände dar, unter denen es wahrscheinlich ist, dass Öl gelegentlich knapp wird. In solchen Fällen wird sich der Nocken zu drehen beginnen, bevor der Druck ausreichend ist, um das Öl zu der Oberseite des Motors zu pumpen. Mit der Zeit verschleißen diese Komponenten während der Lebensdauer eines Motors stark und erfordern eine regelmäßige Nachstellung oder die Verwendung von selbstnachstellenden hydraulischen Elementen. Eine Grundkonfiguration eines typischen Ventiltriebes ist in 1 veranschaulicht.
Da die Kraftstoffökonomie zunehmend an Bedeutung gewonnen hat, ob bei einer oben hängenden Ventil (OHV von overhead valve)-Konstruktion oder einer oben liegenden Nockenwellen (OHC von overhead cam)-Konstruktion, sind Motorenhersteller auf Ventiltriebsysteme übergegangen, die einen Rollkontakt zwischen den Nockenwellenerhebungen und Stößeln nutzen, wenngleich einige noch immer Gleitstößelkonstruktionen verwenden. Herkömmliches Nockenwellenmaterial wie z. B. gehärtetes Graugusseisen (GCI von gray cast iron) arbeitet gut unter reinen Gleitbedingungen und es mangelt ihm an der notwendigen Materialfestigkeit unter hohen Rollkontaktspannungen. Dasselbe trifft für Nocken aus Hartgusseisen (CCI von chilled cast iron) zu. Kugelgraphitgusseisen (NCI von nodular cast iron)-Nockenwellenmaterial wurde vorwiegend in Ventiltrieben vom Rollenstößeltyp verwendet. In einigen Motorkonstruktionen hat sich auch die Nockenstößel-Grenzfläche von einem Gleitkontakttyp zu einem Rollenkipphebeltyp geändert, um die Ventiltriebreibung zu reduzieren. Daher wurde die Verwendung von Kugelgraphitgusseisen als ein Ersatz mit höherer Festigkeit für CCI- und GCI-Nockenwellenmaterial unter Gleitkontaktbedingungen bis dahin nicht vollständig untersucht. Es war kein Material für Nockenwellen bekannt, das alle Anforderungen gleichzeitig unter Roll- und Gleitkontaktbelastungen ohne die Verwendung einer Oberflächenbeschichtung oder -modifizierung auf der Nockenwelle oder auf der dazu passenden Stößeloberfläche erfüllt.
Nockenwinkelverstellung und variable Ventilsteuerung (WA von variable valve actuation) sind relativ neue Technologien, die versuchen, kraftstoffökonomische Vorteile weiter abzustimmen, indem sie das Öffnen und Schließen der Ventile verändern. Die Verwendung einer reinen Rollwirkung für sowohl Groß- als auch Kleinhubbedingungen für einen zweistufigen WA-Mechanismus ist für OHC-Motoren zu bevorzugen, da sie die Gesamtreibung des Ventiltriebes reduziert. Traditionellerweise wurden Nockenwellen, die vorwiegend Gleitbelastungen ausgesetzt sind, aus gehärtetem GCI oder CCI hergestellt und liefen gegen legierte CCI-Stößel. In einer zweistufigen Nockenwellenkonstruktionskonfiguration wird von diesen Materialien nicht erwartet, dass sie den Rollbelastungen standhalten, die typischerweise über 1400 MPa liegen, da dies die Materialfestigkeitsgrenzen überschreitet. Wenn die Konstruktionsarchitektur die Verwendung einer reinen Rollgrenzfläche für variable Ventilsteuerungskonfigurationen zulässt, dann ist die Materialwahl relativ einfach. Stahlnocken arbeiten unter Rollbelastungen sehr gut, vorausgesetzt, es ist reichlich Platz vorhanden, damit die Konstruktion arbeitet. Auf Grund des Haftverschleißes unter Gleitbedingungen reagieren sie jedoch gegenüber traditionellen Stößelmaterialien schlecht.
Wenn Konstruktionsbeschränkungen für einen Motor mit oben liegender Nockenwelle die reine Rolloption für eine zweistufige WA-Architektur ausschließen, dann ist eine einzigartige Ventiltriebkonstruktionsoption möglich, die aus einem Erhebungs-Dreifachpaket besteht, das Roll- und Gleitbelastungen von den Stößelelementen ausgesetzt ist. Der Nockenerhebungsabschnitt in Kontakt während des Großhub-Modus ist den Gleitbelastungen ausgesetzt, wohingegen während des Kleinhub-Modus der andere Erhebungsabschnitt die Rollbelastung erfährt.
Montierte Nockenwellen mit maßgeschneiderten Erhebungsmaterialien wie z. B. Pulvermetallerhebungen können verwendet werden, um sowohl eine Roll- als auch eine Gleitbelastung zu bewältigen, wobei dies jedoch die Systemkosten erhöht. Ventilfederbelastungen, Ventilhübe, der verfügbare Platz wie auch die erwünschte Leistung bestimmen die Verwendung der speziellen Ventiltriebarchitektur, die von einem speziellen Motorenhersteller eingesetzt wird.
Auf Grund des Fehlens von Daten in Bezug auf die Gleitverschleißfestigkeit von Kugelgraphitgusseisen ist eine diamantharte Beschichtung (DLC von diamond-like coating) auf den Stößelelementen, die einem Gleiten ausgesetzt sind, eine sichere aber kostspielige Wahl für Schaltrollenventilhebel (SRFF von switchable roller finger follower)-Mechanismen. Es ist daher wünschenswert, eine Materialkombination für Nockenerhebungs- und Stößelelemente zu finden, die den Gleitbelastungen standhält, ohne dass es notwendig ist, die Gleitelemente der Stößel mit einer diamantharten Beschichtung zu beschichten, oder dass Pulvermetallerhebungen mit maßgeschneiderten chemischen Zusammensetzungen und Mikrostrukturen verwendet werden.
Zusammenfassung
Die vorliegende Erfindung sieht einen Motorventiltrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vor.
Die Materialkombination sieht einen Gleitverschleiß vor, der mit diamantharten Beschichtungen vergleichbar ist und gleichzeitig weniger kostspielig ist als diamantharte Beschichtungen.
Weitere Anwendungsgebiete werden aus der hierin bereitgestellten Beschreibung offensichtlich. Es sollte einzusehen sein, dass die Beschreibung und spezielle Beispiele nur Illustrationszwecken dienen sollen.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen ausschließlich Illustrationszwecken.

1 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften Motorventiltriebsystems, das die Materialkombination der vorliegenden Erfindung umfassen kann; und
2 ist eine Querschnittsansicht eines beispielhaften zweistufigen variablen Ventilsteuerungssystems, das die Materialkombination der vorliegenden Erfindung umfassen kann.

Detaillierte Beschreibung
Die nachfolgende Beschreibung ist rein beispielhaft. Es sollte einzusehen sein, dass in den Zeichnungen durchweg entsprechende Bezugsziffern gleiche oder entsprechende Teile und Merkmale bezeichnen.
Unter Bezugnahme auf 1 bezeichnet die Ziffer 10 allgemein einen Verbrennungsmotor vom Viertakt-Fremdzündungstyp. Bedeutende Teile des Motors 10 besitzen einen herkömmlichen Aufbau mit einem Zylinderblock 12, der eine Vielzahl von Zylindern 13 und einen Zylinderkopf 14 definiert, welcher die Enden der Zylinder 13 verschließt. Kolben 16 sind in den Zylindern 13 angeordnet und arbeiten mit den Zylindern 13 und dem Zylinderkopf 14 zusammen, um Brennkammern 18 an den Zylinderenden zu bilden. Einlass- und Auslasskanäle sind für jeden Zylinder 13 vorgesehen, wobei nur ein Einlasskanal 20 gezeigt ist. Es sind Tellerventile 22 vorgesehen, eines in jedem der Kanäle, und jedes weist eine Feder 24 auf, die ihr jeweiliges Ventil 22 in einer Kanalschließrichtung vorspannt. Eine Nockenwelle 26 ist mit der Motorkurbelwelle (nicht gezeigt) für eine Rotation in zeitabgestimmter Beziehung mit der Hin- und Herbewegung der Kolben 16 verbunden. Die Nockenwelle 26 weist eine Vielzahl von Nockenwellenerhebungen 28 auf, von denen eine jedem der Ventile 22 zugeordnet ist, um das Ventil 22 in dem richtigen Abschnitt jedes Motorzyklus zu betätigen. Die Ventile 22 und jeweiligen Nockenwellenerhebungen 28 können Kipphebel 30, Stößelstangen 32 und hydraulische Ventilstößel 34 umfassen. Diese Elemente sollen herkömmliche Aufbauten repräsentieren, die in verschiedenen Formen in Kraftfahrzeugmotoren anzutreffen sind. Die Ventilstößel 34 definieren Stößelauflagen, die mit den Nockenwellenerhebungen 28 in Eingriff stehen.
Als eine alternative Konfiguration könnte der Ventiltrieb ein zweistufiges variables Ventilsteuerungssystem umfassen, wie in den Druckschriften US 5 361 733 A , US 6 848 402 B2 , US 6 752 107 B2 und US 6 923 151 B2 offenbart.
2 veranschaulicht einen beispielhaften zweistufigen hubvariablen Ventilmechanismus, der in einem Motor mit oben liegender Nockenwelle mit direkt wirkenden Nockenstößeln vorgesehen ist. Wie in 2 gezeigt, umfasst der Motor 100 eine Block-, Kopf- und/oder Trägerkomponente 102, die eine Nockenwelle 103 und eine Vielzahl von Kipphebeln 104c trägt, von denen nur einer gezeigt ist. Die Nockenwelle 103 umfasst ein Paar beabstandeter Großhubnocken 106 und einen zentralen Kleinhubnocken 107 für jedes der Einlassventile 108 und/oder Auslassventile des Motors, die durch einen Kipphebel 104c betätigt werden. In dem gezeigten Motor weist jeder Kipphebel 104c einen äußeren Großhubnockenstößel 110 auf, der den Großhubnocken 106 zugeordnet ist, und einen inneren Kleinhubnockenstößel 111, der den Kleinhubnocken 107 zugeordnet ist. Eine detaillierte Erklärung der beispielhaften Kipphebel 104c ist in der Druckschrift US 5 361 733 A bereitgestellt.
Es ist eine Erkenntnis der vorliegenden Erfindung, dass eine Materialkombination zur Verwendung in Nockenwellen- und Nockenstößelanwendungen keine Verwendung von Beschichtungen entweder auf den Nockenwellenerhebungen oder auf dem Stößelauflagenmaterial erfordert. Das Nockenwellenerhebungsmaterial ist ein Temperguss. Der Temperguss kann gehärtet sein. Das Härteverfahren kann unter Verwendung einer Induktionserwärmung, Flammenerwärmung oder unter Verwendung von Laserenergie ausgeführt werden. Die gehärtete Matrix-Mikrostruktur kann getemperter Martensit und Temperkohle sein. Die Menge an Temperkohle/Graphit ist kleiner oder gleich 10 %. Die Kohlenstoffpartikelanzahl (Partikel, die größer sind als 25 Quadratmikrometer) ist kleiner als 200 pro Quadratmillimeter. Niedrigere Werte der Temperkohlepartikelanzahl, bei denen die Partikelanzahl zwischen 150 und 200 pro Quadratmillimeter liegt, lieferten die besten Ergebnisse. Die Härte der Nockenwellen- oder Nockenwellenerhebungsmaterialien kann im Bereich von 50 bis 62 HRC liegen.
Das Stößelmaterial umfasst einen karbonitrierten AISI 52100 Stahl oder einen karbonitrierten AISI 4130 Stahl. Die Wärmebehandlung für den Stößel ist ein Karbonitrieren im Gegensatz zu einem Aufkohlen oder nur Härten oder Tempern. Das Karbonitrieren kann bis zu einer Tiefe von 0,5 bis 1,5 mm und im Spezielleren etwa 1 mm erfolgen und das Stößelmaterial kann eine Härte von 55 bis 64 HRC aufweisen.
Die Erkenntnis der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass, wenn sowohl Temperguss als Nockenwellenmaterial als auch karbonitrierter AISI 52100 oder AISI 4130 Stahl als zusammenpassende Komponenten gleichzeitig verwendet werden, diese Materialkombination den Betrag an Gesamtverschleiß deutlich reduziert. In Labortests, die an einer großen Anzahl an Proben durchgeführt wurden, lieferte die Verwendung von Temperguss für die Nockenwellenerhebungen gemäß den obigen Spezifikationen und von Stößeln aus karbonitriertem AISI 52100 oder AISI 4130 Stahl eine ausgezeichnete Gleitverschleißfestigkeit, die der von diamantharten Beschichtungen entspricht.

Claims

Motorventiltrieb, welcher umfasst: eine Nockenwelle (26) mit einer Vielzahl von Nockenwellenerhebungen (28), wobei die Nockenwellenerhebungen (28) aus einem Temperguss bestehen; und eine Vielzahl von Stößelauflagen, die aus karbonitriertem Stahl bestehen und jeweils in Eingriff mit einer entsprechenden der Vielzahl von Nockenwellenerhebungen (28) stehen; dadurch gekennzeichnet, dass der karbonitrierte Stahl ein AISI 52100 Stahl oder ein AISI 4130 Stahl ist.
Motorventiltrieb nach Anspruch 1, wobei die Stößelauflagen bis zu einer Tiefe zwischen 0,5 und 1,5 mm karbonitriert sind.
Motorventiltrieb nach Anspruch 1, wobei die Nockenwellenerhebungen (28) eine gehärtete Matrix-Mikrostruktur aus getempertem Martensit und Temperkohle/Graphit umfassen.